Es gibt viele Monderkundungsbahnen, und der Schlüssel liegt in der klugen Wahl

Vor kurzem hat die NASA im Rahmen des „Artemis-Projekts“ den ersten Monderkundungssatelliten gestartet. Dabei wird erstmals eine spezielle Mondumlaufbahn versucht, doch während des Fluges verlor das Raumfahrzeug den Kontakt, was für Aufsehen sorgte. Tatsächlich stehen Raumfahrzeugen viele Arten von Monderkundungsumlaufbahnen zur Auswahl, die den unterschiedlichen Missionsanforderungen gerecht werden können. Da die menschliche Erforschung und Entwicklung des Mondes allmählich ihren Höhepunkt erreicht, werden Auswahl, Gestaltung und Aufrechterhaltung der Monderkundungsumlaufbahn immer wichtiger. Was also ist die Grundlage für die Auswahl der Monderkundungsumlaufbahn? Welche Vorteile bieten die verschiedenen Umlaufbahnen zur Monderkundung?

Maßgeschneidert für die Mondraumstation

Am 28. Juni wurde der US-Satellit Capstone an Bord einer Electron-Rakete von Neuseeland aus gestartet. Der Würfelsatellit wiegt etwa 25 Kilogramm und soll technische Operationen und Navigationsexperimente am autonomen Mondpositionierungssystem durchführen. Sein Hauptzweck besteht darin, die Betriebsumlaufbahn der zukünftigen Mondraumstation zu testen. Konkret ist geplant, in etwa vier Monaten in der Nähe des Mondes anzukommen, in eine nahezu lineare Halo-Umlaufbahn einzutreten und Testarbeiten durchzuführen.

Schematische Darstellung des amerikanischen CubeSat auf dem Weg zum Mond

Die nahezu geradlinige Halo-Umlaufbahn ist ein sehr ausgeklügeltes Design, bei dem die Raumsonde nicht den Mond, sondern den Erde-Mond-Punkt L2 umkreist. Der Erde-Mond-Punkt L2 liegt auf der Verlängerungslinie von der Erde zum Mond, 65.000 Kilometer vom Mond entfernt. Dort sind die Gravitationskräfte der Erde und des Mondes auf das Raumfahrzeug ausgeglichen und es wird weniger Treibstoff verbraucht, um seine Position zu halten.

Aufgrund äußerer Kräfte ist es für die Raumsonde jedoch schwierig, stabil am Erde-Mond-Punkt L2 zu bleiben, und sie wird durch den Mond blockiert und kann nicht direkt mit der Erde kommunizieren. Als Reaktion darauf haben Wissenschaftler eine Halo-Umlaufbahn speziell für Raumfahrzeuge entwickelt.

Die Halo-Umlaufbahn weist eine komplexe Form auf, da es sich um eine nicht koplanare, dreidimensionale, unregelmäßige Kurve handelt, die die Steuerung des Raumfahrzeugs erschwert. Von der Erde aus erscheinen die Bahnen von Raumfahrzeugen als Halos, daher der Name Orbital.

Es gibt viele Arten von Halo-Umlaufbahnen und Raumfahrzeuge können entsprechend den Missionsanforderungen speziell eingerichtet werden. Öffentlichen Informationen zufolge erreichte der Relaissatellit Queqiao während der Chang'e-4-Mission eine Halo-Umlaufbahn mit einer Z-Achsen-Amplitude von etwa 13.000 Kilometern. Dadurch konnte Queqiao sowohl die Erde als auch die Rückseite des Mondes sehen, erfolgreich eine Kommunikationsverbindung herstellen und eine solide Grundlage für die erste weiche Landung einer bemannten Sonde auf der Rückseite des Mondes schaffen.

Im „Artemis-Projekt“ spielt die Mondraumstation Gateway eine sehr wichtige Rolle. Es handelt sich um eine Kommunikationsrelaisstation der Zukunft, eine Transitstation für die Erkundung der Mondoberfläche, eine Relaisstation für Reisen zwischen dem Mars und dem Weltraum sowie ein Testgelände für Technologie zur Erforschung des Weltraums. Die NASA hat zahlreiche Anforderungen an ihre Umlaufbahn gestellt. So muss sie beispielsweise die Mondlandung erleichtern, den Transport von Astronauten und Fracht bequem hin und her ermöglichen, den Zugang zum Weltraum erleichtern und die Einrichtung, Messung und Steuerung der Raumstation ermöglichen.

Ein Bild der zukünftigen Mondraumstation Gateway der USA

Wie lassen sich so viele Anforderungen erfüllen? Wissenschaftler haben bewusst eine nahezu lineare Halo-Umlaufbahn entworfen, mit dem Perigäum bei etwa 4.000 Kilometern und dem Apogäum bei etwa 75.000 Kilometern.

Einerseits erfordert der Hin- und Rückweg von hier in die Erdumlaufbahn und in die Mondumlaufbahn nur eine kleine Geschwindigkeitssteigerung, und auch die Kosten für die Aufrechterhaltung der Umlaufbahn der Raumstation sind relativ gering.

Andererseits herrscht in der Umlaufbahn eine stabile thermische Umgebung, die den langfristigen Betrieb der Raumstation erleichtert. Die Orbitalebene steht grundsätzlich senkrecht zur Erde-Mond-Linie und ist völlig frei, was die Kommunikation mit der Erde sehr einfach macht. Darüber hinaus deckt es die Polarregionen des Mondes gut ab, was die Durchführung von Landemissionen am Südpol des Mondes erleichtert.

Diese spezielle Umlaufbahn wurde noch nie zuvor von einem Raumfahrzeug genutzt und erfordert die Auswahl eines bestimmten Startdatums und die Beherrschung präziser Flugsteuerungstechnologie. Eine der Hauptmissionen des Capstone-Satelliten besteht darin, die zum Erreichen dieser Umlaufbahn erforderlichen Manöver zu demonstrieren und sechs Monate lang Testdaten zu sammeln, um den Weg für das Artemis-Programm zu ebnen.

Es gibt viele verschiedene Monderkundungsbahnen

Die Mondumlaufbahn ist eine sehr wichtige Weltraumressource und hat einen großen Wert für die Erforschung des Mondes und die Ressourcenentwicklung. Am 3. April 1966 erreichte die sowjetische Raumsonde Luna 10 erstmals eine Mondumlaufbahn. Von da an machte die Sonde nicht mehr nur während des kurzen Vorbeiflugs am Mond Bilder, sondern konnte den Mond stabil umkreisen, kontinuierlich Bilder aufnehmen und die Erkennungsauflösung kontinuierlich verbessern.

Abhängig vom Mittelpunkt der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs kann die Mondumlaufbahn in eine Mondumlaufbahn, eine Umlaufbahn in der Nähe des Gleichgewichtspunkts Erde-Mond und eine Umlaufbahn im Erde-Mond-Zyklus unterteilt werden.

Die Mondumlaufbahn ist auf den Mond zentriert und umfasst eine niedrige kreisförmige Mondumlaufbahn, eine hohe kreisförmige Mondumlaufbahn, eine große elliptische Mondumlaufbahn usw.

Die niedrige Mondumlaufbahn wird am häufigsten bei Monderkundungsmissionen genutzt. Es ist 100 bis 300 Kilometer von der Mondoberfläche entfernt. Die Raumsonde kann hochauflösende Bilder und hochpräzise Erfassungen der Mondoberfläche durchführen. Es handelt sich außerdem um eine wichtige Übergangsbahn für Mondlandemissionen. Chang'e-1 meines Landes operiert in einer Kreisumlaufbahn in einer Höhe von 200 Kilometern, während Chang'e-2 meines Landes, Kaguya aus Japan und Chandrayaan-1 aus Indien alle in Kreisumlaufbahnen in einer Höhe von 100 Kilometern operieren.

Renderings der japanischen Monderkundung „Mondgöttin“

Es ist erwähnenswert, dass das Gravitationsfeld des Mondes viel komplexer ist als das der Erde. Wenn die Umlaufbahn der Sonde niedrig ist, wird sie sich bald von einer kreisförmigen Umlaufbahn zu einer elliptischen Umlaufbahn entwickeln.

Nach zwei Monaten Betrieb wird die Sonde in der polaren Mondumlaufbahn in einer Höhe von 200 Kilometern ihre Perigäumshöhe um etwa 20 Kilometer senken. Die Sonde muss Treibstoff verbrauchen und regelmäßig ihre Umlaufbahnhöhe halten, sonst stürzt sie in den Mond.

Die hohe Mondumlaufbahn ähnelt der niedrigen Mondumlaufbahn, ist jedoch höher und erreicht Tausende von Kilometern. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie weniger von den nicht-sphärischen Gravitationsstörungen des Mondes beeinflusst wird und sich die Umlaufbahn der Sonde während eines Langzeitflugs nicht verformt. Man geht davon aus, dass es sich hier um einen idealen Ort für die zukünftige Einrichtung einer Mondnavigations- und Kommunikationskonstellation handelt.

Die stark elliptische Umlaufbahn des Mondes verläuft in der Nähe des Mondäquators und hat eine Umlaufzeit von etwa 14 Stunden. Sein Vorteil besteht darin, dass sich die für den Eintritt in eine niedrige Mondumlaufbahn und die Rückkehr zur Erde erforderliche Geschwindigkeitssteigerung nicht wesentlich unterscheidet und auch zukünftige Marstransfermissionen berücksichtigt werden können.

Neben der Mondumlaufbahn gehört auch die nahezu lineare Halo-Umlaufbahn, in der sich der US-Satellit Capstone und die zukünftige Mondraumstation befinden, zur Umlaufbahn nahe dem Erde-Mond-Gleichgewichtspunkt, und der Mittelpunkt der Umlaufbahn ist der Erde-Mond-Gleichgewichtspunkt.

Die Erde-Mond-Umlaufbahn ist eine große elliptische Umlaufbahn, deren Perigäum Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern und deren Apogäum Hunderttausende von Kilometern entfernt ist, wobei die Erde und der Mond die Mittelpunkte der Umlaufbahn bilden. Die Sonde pendelt regelmäßig zwischen beiden Orten hin und her und kann sowohl die Erde als auch den Mond wissenschaftlich erkunden.

Das Streckendesign birgt ein Geheimnis

Es gibt viele Arten von Mondumlaufbahnen, jede mit ihrem eigenen Nutzen. Der Schlüssel liegt darin, auf Grundlage der Missionsanforderungen eine geeignete Umlaufbahn des Raumfahrzeugs zu entwerfen, um mit halbem Aufwand das doppelte Ergebnis zu erzielen.

Öffentlichen Informationen zufolge wurden bei der Umlaufbahnplanung von Chang'e-1 viele Faktoren berücksichtigt. Es wählte eine polare Mondumlaufbahn, um eine vollständige Beobachtung der Mondoberfläche zu erreichen, und nahm eine kreisförmige Umlaufbahn in einer Höhe von 100 bis 200 Kilometern an, um Mondbilder mit höherer Auflösung und gleicher Auflösung zu erhalten. Gleichzeitig wird die lange Rotationsperiode des Mondes ausgenutzt, sodass der maximale Abstand zwischen benachbarten Umlaufbahnen der Sonde 35 Kilometer beträgt und sie 27 Tage benötigt, um den gesamten Mond zu umrunden.

Unter Berücksichtigung der Anomalie des Gravitationsfelds des Mondes nahm Chang'e-1 eine Umlaufbahn in 200 Kilometern Höhe ein, passte diese alle zwei Monate an und war ein Jahr und vier Monate in Betrieb, womit es seine erwartete Lebensdauer übertraf. Man kann sagen, dass Chang'e-1 eine technologische Innovation im Mondorbit-Design meines Landes erreicht und eine solide Grundlage für nachfolgende Missionen gelegt hat.

Bei der Chang'e-2-Mission ist es neben der Aufnahme von Bildern mit höherer Auflösung auch notwendig, Daten und Technologie für die sanfte Landung von Chang'e-3 auf dem Mond vorzubereiten.

Chang'e-2 wurde für zwei Mondumlaufbahnen konzipiert: 100 km und 100/15 km. Die Sonde nahm zunächst hochauflösende Vollmondbilder in einer 100 Kilometer langen Kreisbahn auf, führte dann drei Bremsmanöver in Mondnähe durch und wechselte in eine elliptische Umlaufbahn. Die 15 Kilometer entfernte Perigäumsposition hat gerade die Regenbogenbucht des Mondes passiert. Chang'e-2 nutzte die kurze Flugzeit und nahm Bilder des vorab ausgewählten Landebereichs mit einer Auflösung von einem Meter auf.

Chinas Chang'e 5-Aufsteiger trifft sich mit dem Orbiter und dockt dort an

Bei der unbemannten Probenrückführungsmission Chang'e-5 erreichte die Sonde zunächst eine kreisförmige Umlaufbahn von 210 Kilometern. Anschließend führte das Landegerät zwei Manöver zur Absenkung der Umlaufbahn durch, um in eine elliptische Umlaufbahn von 200/15 Kilometern einzutreten, und leitete eine sanfte Landung auf dem Mond in der Perigäumsposition von 15 Kilometern ein.

Nach Abschluss der Probenentnahme wird der Aufstiegsroboter zunächst in eine elliptische Umlaufbahn von 180/15 Kilometern eintreten und dann auf eine Höhe von 210 Kilometern fliegen, um sich mit dem dort wartenden Orbiter zu treffen und an diesem anzudocken, um die Mondproben zu übertragen. Durch diese Reihe komplexer Orbitaloperationen wurde die Mission zur Rückführung von Mondproben abgeschlossen.

In Zukunft wird der Mond mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie zu einer Transitstation für Flüge in den Weltraum werden und es werden immer ausgefeiltere Mondumlaufbahnen entwickelt, um den Anforderungen der menschlichen Erforschung des Sonnensystems und sogar des Weltraums gerecht zu werden.

Bis dahin werden wir Raumfahrzeuge für die unterschiedlichsten Zwecke sehen, die geordnet in ihren jeweiligen Umlaufbahnen kreisen, den Sternenhimmel beobachten oder in die Tiefen des Weltraums vordringen. Was für ein großartiges Bild das sein wird.